对电极式柔性压力传感器制备及器件结构优化研究-肖伦A

对电极式柔性压力传感器制备及结构优化研究答辩人：肖伦导师：陈志柔性压力传感器的运用背景以及研究概况1CNT薄膜制备2PDMS薄膜制备/复合薄膜制备3器件组装与测试4原理分析5主要内容总结6柔性压力传感器的主要运用领域1（a）（b）（d）（c）（a）（b）（c）（a）（b）（b）（a）（c）（a）（b）（c）（a）（b）（b）（a）（c）机械手控制电子皮肤脉搏检测呼吸检测触摸屏其它柔性压力传感器的主要结构1压力改变电容极板间的间距，实现压力检测。压力改变导电极板间接触面积实现压力检测。压力使应变片产生形变，从而导致应变片电阻变化从而实现压力监测压力使得非对称晶体产生形变，从而产生电荷。压力使光纤发生形变，导致在光纤中传输光产生损耗，通过损耗检测压力。与其它传感原理的压力传感器相互集成，实现将其它物理量转换成电压电流。器件结构对性能影响1毫米结构微纳结构空气槽结构优点：1.使得单个器件具备多个敏感单元，使之具备多功能。2.集中应力于器件上，提高器件的灵敏度。优点：1.突触结构使得器件在承受压力时候，器件物理量变化更大，器件灵敏度更高。CNT薄膜制备2制备工艺缺点：设备昂贵CVD化学气相沉积1缺点：需要特别分散剂旋涂/喷涂缺点：需要特别分散剂辊涂法3缺点：需要特别分散剂抽滤法4抽滤法制备流程粉末混合研磨CNT粉末与SDS超声分散混合粉末溶解分离获得上清液CNT分散液静置在滤膜上将CNT薄膜制备抽滤CNT分散液最后剥离CNT薄膜在纱网上清洗滤膜使用丙酮试剂12抽CNT薄膜分析2光学照片75ml25ml50ml拉曼光谱抽滤液量越大制备出的薄膜颜色越深160~300cm-12500~2700cm-11250~1450cm-11500~1605cm-1RBM峰值仅存在于SWCNT的拉曼光谱中，而且碳的同质异形体RBM处于波数不同。CNT薄膜分析2抽滤液量（ML）255075方阻均值（Ω/sq）66.5717.4913.54方阻方差1.581.760.86方阻抽滤液量越大，薄膜采样点方阻均值越小。薄膜较为均匀SEM顶视图边缘视图CNT薄膜分析2SEMCNT纤维宽度57nmCNT纤维长度10um台阶仪25ml抽滤液厚度：3185nm/641nml50ml抽滤液厚度：2242nm/643nmlCNT薄膜制备中间结果2喷涂法制备CNT薄膜喷涂浸泡酸处理薄膜剥离喷涂制备工艺缺点：1.薄膜不均匀；2.薄膜容易撕裂；3.薄膜难以从衬底剥离PDMS薄膜制备及复合薄膜制备310比1混合凝固剂按质量比将PDMS胶体和直至产生均匀气泡搅拌20分钟除气30min放置在真空箱中乙醇超声清洗去离子水、丙酮将玻璃基片使用液浸泡20min酸和双氧水混合溶使用双氧水和浓硫玻璃基板蒸汽（75℃）处理使用三甲基氯硅烷旋涂在玻璃基板上旋涂速度将PDMS预混胶体箱中热烘30min的基板放在75℃烘将旋涂有PDMS胶膜转移到PDMS薄膜剥离，将CNT薄膜薄膜从玻璃基板上使用镊子将PDMSPDMS胶体混合玻璃基板的硅烷化处理PDMS薄膜制备及复合薄膜制备3硅烷化原理SiSiSiOSiOOOSiSiSiOSiOHOHOHSiSiSiOSiOHOHOHSiCH3CH3CH3ClSiCH3ClCH3CH3SiSiSiOSiOOSiCH3CH3SiCH3CH3CH3OSiCH3CH3CH3双氧水、浓硫酸处理引入羟基有利于后续硅烷化处理TMCS处理引入有机基团薄膜疏水性处理PDMS薄膜制备及复合薄膜制备3顶部视图PDMS薄膜顶部视图复合薄膜截面视图复合薄膜截面视图顶部视图PDMS薄膜顶部视图平板PDMS衬底复合薄膜微纳结构PDMS衬底复合薄膜PDMS薄膜制备及复合薄膜制备3总结：►CNT薄膜与PDMS薄膜衬底粘附性极差；►微纳结构PDMS薄膜，微纳结构大小为2.5um左右；总结：►CNT薄膜与PDMS薄膜衬底粘附性良好；薄膜之间没有明显边界。►复合薄膜上虽然没有明显微纳结构，但是薄膜表面有尺度为50nm左右的皱褶。器件组装及测试4T-PSOLS-PSTLS-PSP-PS器件组装及测试4PDMS薄膜剥离玻璃基板硅烷化PDMS薄膜旋涂CNT薄膜转移器件制备组装流程装配PDMS支撑层上下导电基板组装器件组装及测试4()100%100%initresinitinitRRRRespRR(')()'pPpRespRespResSppP响应度灵敏度电阻初始值电阻响应值电阻变化值器件初始响应度器件最终响应度响应度变化率最低检测压强LPDL器件组装及测试4测试设备图导轨应力计测试平台2700控制软件界面●2700用于检测器件电阻，同时控制采样频率（1HZ）。●应力计用于测量作用于器件上方的压力。●移动导轨和步进电机用于控制应力计在竖直方向滑动。器件组装及测试4最低检测压强响应波形图1.TLS-PS拥有最低响应最大的响应度；2.OLS-PS拥有最低检测压强，1Pa；3.P-PS的响应度小而且波形不稳定；4.具有空气槽结构的压力传感器波形稳定，响应度高。器件组装及测试4压强响应波形图连续曲线使用对数函数拟合得到。y=a•ln(x-b)+c曲线被分为两个线性区，线性区分别拟合获得对应线性区的灵敏度。y=a•x+b器件组装及测试4拟合数据分析低压强线性区灵敏度(kPa-1)高压强线性区灵敏度(kPa-1)T-PS3-10Pa10.6910-100Pa0.36P-PS3-4Pa4.005-10Pa0.14OLS-PS1-5Pa58.905-100Pa0.66TLS-PS5-10Pa33.4010-100Pa0.2501PpPSdp线性区灵敏度表灵敏度与检测范围关系式灵敏度高积分范围小灵敏度低积分范围大器件组装及测试传感器类型常函数拟合残差线性函数拟合残差T-PS3.762.52OLS-PS7.534.50TLS-PS4.764.43P-PS1.761.214高压强线性区拟合误差图使用线性函数去拟合高压强线性区较好残差分析表器件组装及测试4稳定性分析恢复电阻值有很大尖峰，实际响应度下降响应电阻和恢复电阻值均有波动响应电阻和恢复电阻值均平稳恢复电阻值有毛刺器件组装及测试4稳定性分析-波形分析OLS-PS波形基本呈现为方波类型；P-PS恢复波形具有较大尖峰；TLS-PS、T-PS恢复波形具一定波动；器件组装及测试4应用案例分析可以实现手势变化检测人手背面不是标准平面，导致器件形变；器件响应呈现响应是脉冲式响应。两种手势对应器件电阻没较大差别。123原理分析52Rw/2=1.00cmd=0.2mm2/2/2Rdwwd器件建模''/2dedw'/212()2/2'ewFYSFwdF1F2=mgw/2e'd'w'/2d=0.2mmw/2d'器件承受压力时模型形变细节将器件上导电面近似为圆柱面'1(/2)/(2)dPSdwSY圆截面比例关系近似关系F1与F2关系d'与P关系0002()(())/()20.0321(/2)/(2)1(/2)/(2)resresRespKRpRpmRPSdwSYPSdwSY原理分析52()20.0321(/2)/(2)1(/2)/(2)resKRPmRPSdwSYPSdwSY220.032''resKRmRdd'1(/2)/(2)dPSdwSY/3RresKS222('/2)(')wRdR2'22''wRdd圆截面关系3'3Swcm2'22''wRdd响应度公式响应电阻公式原理分析5仿真结果与分析►该模型只考虑了二维抽象情况，模型对细节处理较差；►该模型只能计算器件的响应度，并不能定量精确计算器件在固定压强下的电阻值；►不能定量评估空气槽厚度对器件的影响。总结[制备方法[P].中国,发明专利,CN201610181526.3,2016年10月18日●空气槽结构可以明显降低柔性压力传感器最低检测压强（1Pa）；●空气槽结构可以提高柔性压力传感器的灵敏度和响应度,在高压强线性区（1-5pa）,灵敏度为58.90kPa-1;在低压强线性区（5-100Pa）,灵敏度为0.66kPa-1；●空气槽结构可以提高从响应波形和响应度上提高柔性压力传感器稳定性；●空气槽结构敏感原理和上下导电极板的接触面积相关；总结6感谢各位评审导师PDMS薄膜AL模版[制备方法[P].中国,发明专利,CN201610181526.3,2016年10月18日一种制备电化学电解电极的方法[P].（授权）一种氢气传感器[P].一种PMMA膜制备方法及PMMA膜电阻式柔性压力传感器[P].一种柔性柔性压力传感器及其制备方法[P].一种新型底栅结构的柔性薄膜晶体管及其制备[P].一种柔性压力传感器与薄膜晶体管的集成器件及制备方法[P].主要成果